UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA EN ENERGÍA
“INFLUENCIA DEL ÍNDICE DE ACIDEZ EN EL PODER
CALORÍFICO DEL BIODIESEL, OBTENIDO A PARTIR DE
ACEITES RECICLADOS DE COCINA”
TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO EN ENERGIA
AUTORES
Bach. MARY CARMEN DIAZ ALVAREZ
Bach. SHEYLA MELINA GUERRERO ARRELUCEA
ASESOR
Mg. ROBERT FABIAN GUEVARA CHINCHAYAN
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA EN ENERGÍA
HOJA DE CONFORMIDAD DEL ASESOR
El presente Informe de Tesis titulado “Influencia del Índice de Acidez en el Poder Calorífico del Biodiesel, obtenido a partir de aceites reciclados de cocina”, para optar el título profesional de Ingeniero en Energía. Ha contado con el asesoramiento de quien deja constancia de su aprobación. Por tal motivo, firmo el presente trabajo en calidad de Asesor
ASESOR
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA EN ENERGÍA
HOJA DE CONFORMIDAD DEL JURADO
El presente Informe de Tesis titulado “Influencia del Índice de Acidez en el Poder Calorífico del Biodiesel, obtenido a partir de aceites reciclados de cocina, para optar el título profesional de Ingeniero en Energía. Ha contado con la revisión de quienes dejan constancia de su aprobación. Por tal motivo, firmamos el presente trabajo en calidad de Jurados.
REVISADO Y APROBADO POR EL JURADO EVALUADOR
Mg. Robert Fabian Guevara Chinchayan Mg. Amancio Ramiro Rojas Flores
M
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DEDICATORIA
La concepción de esta investigación está dedicada a nuestros padres, pilares fundamentales en nuestras vidas, quienes han velado por nuestro bienestar y educación, siendo nuestro apoyo en todo momento. Depositando su entera confianza en cada reto que se nos presentaba sin dudar ni un solo momento en nuestra inteligencia y capacidad. Sin ellos, jamás hubiésemos podido conseguir lo que hasta ahora. Su tenacidad y lucha insaciable han hecho de ellos el gran ejemplo a seguir y destacar.
iv
AGRADECIMIENTOS
Al culminar este trabajo de investigación queremos expresar nuestro agradecimiento a cada maestro que hizo parte de este proceso integral de formación, por cada momento dedicado para aclarar cualquier tipo de duda, agradecerles por la claridad y exactitud con la que nos enseñaron en cada clase, discurso y lección, que gracias a ellos se pudo lograr con éxito el desarrollo de la presente tesis.
Agradecemos también a nuestro asesor de Tesis el Ing. Robert Guevara Chinchayan por guiarnos en el desarrollo de la tesis.
v
RESUMEN
El presente proyecto tuvo como objetivo determinar la composición fisicoquímica de aceites reciclados y del biodiesel y analizar la influencia del índice de acidez en el poder calorífico para optimizar el potencial energético del biodiesel.
Se realizó un análisis fisicoquímico a cada uno de los siguientes tipos de aceite: fresco, usado, reusado y desechado provenientes de la pollería “El Gigante” localizada en la ciudad de Nuevo Chimbote. Se evaluaron los siguientes parámetros: Densidad, humedad, índice de acidez, pH y el Índice de Peróxidos. Se ensayaron cuatro diferentes cantidades de catalizadores para la reacción de transesterificación manteniendo en todos los casos la cantidad de 200 ml de aceite y 50 ml de Metanol, tiempo de reacción (100 minutos) y temperatura de reacción (60°C).
Al biodiesel obtenido en cada caso se le determinó el Punto de Inflamación, índice de cetano, viscosidad cinemática, índice de acidez, poder calorífico y densidad.
Las propiedades del biodiesel obtenido cumplen con las especificaciones técnicas de las normas ASTM.
Gráficamente se observa que el punto máximo se alcanza cuando el índice de acidez es de 0.295 mg KOH/g con un Poder Calorífico de 47009.34 kJ/kg. Lo que nos indica que es recomendable trabajar con Aceites reciclados con un solo uso.
El Poder Calorífico del biodiesel disminuye cuando el índice de acidez es mayor a 0.30 mg KOH/g, dado que es un aceite reciclado de varios usos y desechados. Pero no se descarta el poder utilizar los aceites reciclados con varios usos, ya que se puede dar un tratamiento adecuado para su aprovechamiento.
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ABSTRACT
The objective of this project was to determine the physicochemical composition of
recycled oils and biodiesel and to analyze the influence of the acidity index on the
calorific power to optimize the biodiesel's energy potential.
A physicochemical analysis was carried out for each of the following types of oil: fresh,
used, reused and discarded from the restaurant "El Gigante" located in the city of Nuevo
Chimbote. The following parameters were evaluated: Density, humidity, acidity index,
pH and the Peroxide Index. Four different amounts of catalysts were tested for the
transesterification reaction while maintaining in all cases the amount of 200 ml of oil
and 50 ml of methanol, reaction time (100 minutes) and reaction temperature (60 ° C).
The Biodiesel obtained in each case was determined the Flash Point, cetane number,
kinematic viscosity, acidity index, calorific power and density.
The properties of the biodiesel obtained comply with the technical specifications of the
ASTM standards.
Graphically it is observed that the maximum point is reached when the acidity index is
0.295 mg KOH / g with a calorific power of 47009.34 kJ / kg. Which indicates that it is
advisable to work with recycled oils with a single use.
The calorific power of biodiesel decreases when the acidity index is higher than 0.30
mg KOH / g, given that it is a recycled oil of various uses and discarded. But it is not
ruled out to be able to use recycled oils with various uses, since it can be given an
adequate treatment for its use.
vii
Í N D I C E
Pág.
Hoja de conformidad del asesor i
Hoja de conformidad del jurado evaluador de la tesis ii
Dedicatoria iii
Agradecimiento iv
Resumen v
Abstract vi CAPITULO I: INTRODUCCION
1.1 Realidad Problemática 1.2 Antecedentes
1.3 Formulación de Problema 1.4 Importancia y justificación 1.5 Hipótesis 1.6 Objetivos CAPITULO II: MARCO TEORICO
2.1 Biodiesel 2.2 Características del biodiesel a partir de aceites vegetales 2.3 Propiedades 2.4 Materias primas para la producción de biodiesel 2.5 Análisis de calidad de aceite 2.6 Condiciones necesarias para la obtención de biodiesel 2.7 Parámetros físicas y químicas de calidad biodiesel 2.8 Especificaciones a cumplir necesarias para el uso adecuado de biodiesel
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2.9 Efecto de la acidez y la humedad en el proceso de transesterificación 2.10 Principio de funcionamiento de la bomba calorimétrica CAPITULO III: MATERIALES Y METODOS 3.1 Lugar de ejecución 3.2 Materiales y equipos 3.3Métodos 3.4Métodos para la obtención de biodiesel 3.5Análisis físico y químico de las muestras de biodiesel 3.6 Diseño experimental CAPITULO IV: CALCULOS Y RESULTADOS 4.1. Calculo del volumen de Metanol (CH3OH) a usar 4.2. Análisis Físico y Químico de las muestras de aceite residual de cocina 4.3. Obtención de biodiesel 4.4. Análisis Físico y Químico de las muestras de biodiesel 4.5. Influencia del Índice de Acidez en el Poder Calorífico del Biodiesel CAPITULO V: DISCUSIÓN DE RESULTADOS
5.1. Discusión de Resultados
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Reacción de transesterificación para la obtención de biodiesel. Figura 2. Reacción presente en la transesterificación
Figura 3. Esquema del viscosímetro de Ostwald Figura 4. Esquema del Vaso abierto Cleveland Figura 5. Esquema de la Bomba Calorimétrica Figura 6. Reacción de oxidación de un ácido graso Figura 7. Componente de la bomba calorimétrica
Figura 8. Gráfica del Poder Calorífico en Función al Índice de Acidez
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades físicos y químicos del biodiesel vs diésel mineral Tabla 2. Parámetros fiscas y químicas del biodiesel
Tabla 3. Caracterización de las muestras de aceite reciclado de cocina Tabla 4. Cantidades de Catalizador NaOH para cada ensayo.
Tabla 5. Caracterización de las muestras de biodiesel. Tabla 6. Índice de acidez y Poder Calorífico del Biodiesel
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ANEXOS
Anexo 1. Procedimiento
Anexo 2. Especificaciones de aceite vegetal comestible Anexo 3. Especificaciones del Biodiesel (B100)
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CAPITULO I
2 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA
La situación actual por la que pasan los países del mundo para obtener recursos energéticos es urgente, debido a la escasez de yacimientos de recursos petrolíferos y al aumento de la demanda de energía en los últimos años.
El Perú tiene un alto consumo de combustible diesel comparado con el de las gasolinas. El uso de combustibles fósiles ha afectado el equilibrio ecológico de nuestro planeta, teniendo efectos sobre el clima y causando alrededor de 4,000 muertes cada año en Lima, en consecuencia, a los contaminantes atmosféricos como óxidos de azufre y partículas, cuyas emisiones al aire son atribuidas al parque automotor (Consejo Nacional del Ambiente, 2004).
Los estudios realizados en varios países indican que el biodiesel obtenido de aceites reciclados de cocina probablemente no reemplace al combustible diesel completamente; sin embargo, una sustancial cantidad de diesel puede ser mezclado con biodiesel preparado de aceites reciclados de cocina, ayudando en parte a disminuir la dependencia de combustible basado en petróleo.
El gobierno peruano impulsa la producción del biodiesel, ya que desde el año 2003 se cuenta con la Ley de Promoción del Mercado de Biocombustibles (Ley Nº 28054); sin embargo, no se cuenta con una norma técnica definida para este combustible. El gobierno viene orientando sus acciones tomando como referencia la normativa de los Estados Unidos.
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ácidos grasos libres en el aceite y saponificación de triglicéridos (Cvengros y Povazanec, 1995).
La neutralización de los ácidos grasos libres se puede evitar utilizando aceites de bajo índice de acidez. Sin embargo, los aceites más rentables económicamente presentan cierto contenido en ácidos, como los aceites o grasas usadas (Freedman et alm, 1984).
La reacción de saponificación puede evitarse parcialmente utilizando aceites y alcoholes esencialmente anhidros (Wright et al., 1944). Se debe tener buena prevención con las condiciones de reacción, con la temperatura y concentración de catalizador para reducir al máximo la saponificación.
4 1.2. ANTECEDENTES:
Bouaid, Vázquez, Martinez y Araci (2015). Demostraron que se puede lograr producir biodiesel de alta calidad a partir de muestras de aceite de fritura usado con diferentes ácidos grasos libres (AGL) contenidos de hasta el 4%. Se ha observado que el rendimiento de éster metílico (biodiesel) disminuye de 97,2% a 95% por aumento del contenido de AGL del aceite de 0% a 4%.
Zavaleta y Suavo (2016). Demostraron que es posible obtener biodiesel con aceites vegetales residuales de restaurantes, ya que su grado de acidez (1,56%) fue inferior al 3%. Las condiciones óptimas para lograr la máxima conversión de la reacción se obtuvieron cuando se usó una concentración de metanol del 30%, una concentración de hidróxido de potasio del 0,4% respecto al peso del aceite y un tiempo de reacción de 3 hrs 30 min a una temperatura constante de 60°C. Bajo estas condiciones se obtuvo un rendimiento de biodiesel del 85,97%. Al biodiesel obtenido bajo las mejores condiciones de reacción se le analizó el número de acidez, obteniendo el valor de 0,68 mgKOH/g.
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Echeverría, Martínez, Medina, Rodríguez y Ruiz (2013). En su trabajo estudiaron el efecto de la temperatura (55-65°C), cantidad de catalizador (0.25-0.5 g KOH) y relación aceite/metanol (0.1-0.3) para la síntesis de biodiesel a partir de ácidos grasos de aceite de cocina usado. Se determinaron las propiedades fisicoquímicas como densidad (g/cm3), viscosidad (cSt) y poder calorífico (MJ/Kg) de diferentes muestras de biodiesel obtenido y se compararon con las del biodiesel comercial. En los resultados notaron que el efecto de la temperatura sobre el poder calorífico es significativo, al aumentar 10°C la temperatura de 55 a 65°C, el poder calorífico disminuye de 51.55 a 37.42 MJ/Kg.
Ramirez (2006). La viscosidad, densidad e índice de acidez son los parámetros físicos para determinar el rendimiento del biodiesel, estos tres parámetros son representativos en la calidad del biodiesel.
La NTP 209.001 (1983). Muestra valores que deben cumplir todos los aceites vegetales comestibles. Indica que el índice de acidez debe ser menor de 0.2 mg KOH/g aceite para ser utilizado para consumo Humano.
La NTP 321.125 (2008), muestra valores que deben cumplir los biodiesel. Indica que el máximo Número Acidez del biodiesel debe ser de 0.5 mg KOH/g, valor obtenido por el método ASTM D 664.
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Martínez et al. (2015). Obtuvieron con éxito un biodiesel a partir de aceite de cocina usado, con un índice de acidez de 0.32 mg KOH/g y un rendimiento de 83.5 %.
1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA:
¿En qué medida el índice de acidez influye en el poder calorífico para que el biodiesel, obtenido a partir de aceites reciclados de cocina, sea el óptimo?
1.4. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACION
La necesidad de fuentes alternativas de energía es primordial debido a diversos aspectos como: el agotamiento irreversible de los combustibles fósiles, el impacto negativo sobre el medio ambiente de las emisiones de dióxido de carbono y la contaminación directa del suelo y el agua en los procesos de extracción y transporte de crudo de petróleo.
El biodiesel, preparado a partir de aceite usado de cocina tiene dos ventajas muy importantes, por una parte se evita la emisión de gases contaminantes como producto de la combustión porque no contiene azufre y la presencia de oxígeno en su composición química hace que la combustión sea más completa, reduciendo la emisión de partículas de carbono elemental, monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados y la otra ventaja es que se realiza un reciclaje de material de usado altamente contaminante antes de ser eliminados y lleguen a la bahía por medio de las tuberías.
Para lograr minimizar la dependencia del petróleo diesel; se debe lograr que en el proceso de obtención de biodiesel se consigan balances energéticos positivos y lleguen al mercado a un coste similar al de los productos derivados del petróleo a los que se pretende sustituir (Ballesteros, 2003).
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como diversos parámetros físico-químicos que le dan calidad a la muestra, para poder servir de aplicación a motores de combustión interna.
1.5. HIPOTESIS
La influencia del incremento del índice de acidez hasta el 0.2 mg KOH/g, permite alcanzar un valor óptimo en el poder calorífico del biodiesel obtenido a partir de aceites reciclados de cocina de hasta 45 000 kJ/kg.
1.6. OBJETIVOS
1.6.1. Objetivo General:
Analizar la influencia del índice de acidez en el poder calorífico para optimizar el potencial energético del biodiesel, obtenido a partir de aceites reciclados de cocina.
1.6.2. Objetivos Específicos:
Analizar las muestras de aceites reciclados de cocina, para la obtención de biodiesel.
Determinar la composición fisicoquímica de las muestras de aceites reciclados de cocina.
Obtener biodiesel a través de una reacción de transesterificación por medio de metanol.
Determinar la composición fisicoquímica de las muestras de biodiesel.
8
CAPITULO II
9 2.1.BIODIESEL
El biodiesel está constituido generalmente de ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos de cadena larga; se obtiene a partir de la reacción (denominada Transesterificación) entre un tipo de aceite vegetal u otro cuerpo graso y un alcohol en presencia de un catalizador, para ser utilizados tanto en fuentes fijas (hornos, calderas, motores diesel estacionarios) como móviles (motores de ignición por compresión - motores diesel) (Barriga, 2011, p. 6).
La ASTM (American Standards for Testing and Materials) lo define como “Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplean en los motores de ignición de compresión o en calderas de calefacción”.
La Figura 1 muestra la reacción que transforma las moléculas de triglicéridos, grandes y ramificadas, en moléculas de ésteres alquílicos, lineales, no ramificadas, de menor tamaño y muy similares a las del petrodiesel.
Figura 1. Reacción de transesterificación para la obtención de biodiesel. Fuente: (Crespo & Martinéz, 2001)
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glicerol (alcohol trivalente) por un alcohol monovalente («más ligero») usualmente Metanol o Etanol, formando moléculas más pequeñas (ésteres monoalquílicos, comúnmente denominado biodiesel), con una viscosidad similar a la del combustible diésel derivado del petróleo. (Castro Pareja, 2007)
2.2. CARACTERISTICAS DEL BIODIESEL A PARTIR DE ACEITES VEGETALES
Según Montefrio (2010) las características que presenta el biodiesel desde el punto de vista cualitativo son las siguientes:
Presentan propiedades mejores que el diésel y mayor índice de cetano.
Es un biocombustible seguro en su manejo y almacenamiento.
Mayor eficiencia térmica en los motores (alta relación de comprensión).
Un requerimiento de un control preciso del tiempo de ignición (emisiones rendimiento).
VENTAJAS:
El biodiesel no contiene azufre, ni compuestos aromáticos, metales o residuos de petróleo.
Logra producir una combustión más limpia, disminuye en un 90% la cantidad de hidrocarburos, sin quemar monóxidos de carbono y aldehídos.
Es biodegradable.
Es el principal combustible alternativo en cumplir con los requisitos de la Agencia de Protección Ambiental (EPA)
Este Biodiesel es un recurso renovable, biodegradable y no tóxico.
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Puede almacenarse en cualquier lugar donde el petrodiesel se guarda, excepto en tanques de concreto; en elevados niveles de mezcla, produce el deterioro de materiales de goma y poliuretano. Por su poder de solvente, el biodiesel produce la limpieza de los tanques usados por el diésel de petróleo.
El combustible debe ser almacenado en un ambiente limpio, seco y oscuro, debiendo obviar temperaturas extremas. Por otra parte, no requiere mayores cambios en las estaciones expendedoras.
Este biocombustible puede usarse puro o mezclarse en cualquier proporción con el combustible diésel de petróleo.
la combustión de biodiesel disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos totales quemados, entre 75-90% en hidrocarburos aromáticos.
Este biodiesel no presenta aumentos de emisiones de dióxido de carbono, ya que las reducidas emisiones en comparación con el petrodiesel, se compensan con la absorción de CO2 por parte de las semillas oleaginosas.
Es biodegradable en solución acuosa, el 95% desaparece en 28 días y tiene un punto de inflamación de 150ºC que se compara muy favorablemente al diésel de petróleo cuyo valor es de 50º C.
La producción de biodiesel se realiza a partir de cultivos que abundan en nuestro país, como es la palma africana.
El biodiesel combustible probado satisfactoriamente en más de 15 millones de km en los Estados Unidos y por más de 20 años en Europa.
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La Oficina del Presupuesto del Congreso y el Departamento de Defensa, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, junto con otros organismos han determinado que el biodiesel es la opción más económica de combustible alternativo que reúne todos los requisitos del Acta de Política Energética.
Mejora la cohesión económica y social y posibilita la creación de puestos de trabajo.
Ayuda a contribuir a reducir la dependencia de combustible fósil del país.
Reducirán las importaciones de diésel mineral.
DESVENTAJAS:
Uno de los mayores problemas que se encuentran a la hora de decidir el uso de Biodiesel como combustible es el de las malas propiedades que posee a bajas temperaturas. Para un Biodiesel procedente de un aceite residual el Punto de Obstrucción por Filtros Fríos (POFF) está entre –7 y 0 ºC , lo cual es insuficiente para invierno.
Mayor Viscosidad. Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor que el diesel pueden existir problemas de pérdidas de flujo a través de los filtros e inyectores. Si el spray es alterado por el flujo de combustible se puede generar una coquización del inyector o dilución del lubricante.
Problemas de Corrosión. Pueden aparecer algunos problemas debido a corrosiones y partículas de desgaste en el aceite, que hay que tener en cuenta no solo en lo que afecta al motor, sino también respecto a la instalación.
La presencia de K y Na puede causar la precipitación de jabones obstruyendo los filtros. Estos se presentan en el Biodiesel debido a un defectuoso proceso de lavado en su producción.
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parámetros debido a que afectan de forma muy directa a la bomba de inyección.
Problemas de Estabilidad. Posee menor estabilidad a la oxidación que el diesel debido a que posee dobles enlaces y oxígeno en su molécula. Esto es importante a la hora de almacenar durante mucho tiempo el biodiesel.
Precios poco competitivos frente a los derivados fósiles y el enfrentamiento de cultivos energéticos, que también son empleados como cultivos alimenticios, lo que producen una situación poco deseada al entremezclar el mercado alimenticio con el de los combustibles, distorsionando los precios y creando un impacto desfavorable en el mercado.
EMISIONES
Las principales emisiones contaminantes del biodiesel son los óxidos de nitrógeno, los cuales incluyen el óxido nítrico (NO), el dióxido de nitrógeno (NO2) y el óxido nitroso (N2O). (Benjumea, Agudelo, & Cano, 2004)
2.3.PROPIEDADES
El biodiesel tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor índice de cetano que el diésel de poco azufre. El agregar en una cierta proporción biodiesel al gasóleo reduce significativamente el desgaste del circuito de combustible; y, en baja cantidad y en sistemas de altas presiones, extiende la vida útil de los inyectores que dependen de la lubricación del combustible. (Methanol Institute, 2006)
El poder calorífico del biodiesel es 37,27 MJ/L (megajulios por litro) aproximadamente. Esto es un 9% menor que el diésel mineral. La variación del poder calorífico del biodiesel depende de la materia prima usada más que del proceso. (Kaltschmitt et. al, 1997)
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oscuro según el tipo de materia prima usada. Es inmiscible con el agua, tiene un punto de ebullición alto y baja presión de vapor. Su punto de inflamación (superior a 130 °C) es mucho mayor que el del diésel (64 °C) o la gasolina (40 °C). Tiene una densidad de aproximadamente 0,88 g/cm3, menos que el agua. (ASTM D6751, 2008)
Más allá, no tiene virtualmente ningún contenido de azufre y se suele mezclar como aditivo con el diésel de bajo contenido en azufre. (Bruce S, MacDonald, Barker, Robert , & William, 2007).
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lo que ayuda a quemar completamente su alto índice de cetano mejora la calidad de encendido incluso cuando se mezcla en el diésel de petróleo. Es una propiedad general de los hidrocarburos que la temperatura de auto ignición es mayor para los hidrocarburos más volátiles. Por lo tanto, las fracciones de destilado medio menos volátiles de petróleo crudo que hierven en el intervalo de 250-370ºC son adecuadas como combustibles diésel. (Montefrio, Xinwen, & Obbard , 2010)
Tabla 1. Propiedades físicos y químicos del biodiesel vs diésel mineral
Datos físico-químicos Biodiesel Diésel
Composición combustible Ester metílico
Ácidos grasos C12-C22
Hidrocarburos C10-C21 Poder calorífico interior,
kcal/kg (aprox.)
9500 10800
Viscosidad cinemática, cSt (a 40°C)
3,3-3,0 3,0-4,5
Peso específico, g/cm3 0,875-0,900 0,850
Azufre, %P 0 0,2
Punto de ebullición, °C 190-340 180-335 Punto de inflamacion, °C 120-170 60-80 Punto de escurrimiento, °C -15/+16 -35/-15
Numero de cetano 48-60 46
R/E Aire/comb. p/p 13.8 15
Fuente: (Montefrio, Xinwen, & Obbard , 2010)
2.4. MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
Las principales materias primas para la elaboración de biodiesel son las oleaginosas y sus aceites derivados.
16 de biodiesel (Garcia & Garcia, 2006):
Aceites vegetales convencionales
Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia) (Vicente, 2001).
Grasas animales
Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de animales.
Aceites de fritura usados
El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costes de tratamiento como residuo. Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como biocombustible. La utilización de aceites usados presenta dificultades logísticas, no sólo por su recolección, como se ha dicho, sino también por su control y trazabilidad debido a su carácter de residuo.
Aceites de otras fuentes
17 - Aceites de producciones microbianas - Aceites de microalgas
2.5. ANÁLISIS DE CALIDAD DE ACEITES Métodos Físicos
Densidad
Esta es una constante que no varía mucho para un aceite determinado cuando está puro y fresco, pero es afectada por la edad, rancidez y cualquier tratamiento especial que se le haga al aceite.
Esta es la medida del volumen que ocupa determinado peso del aceite que se expresa en g/ml (gramos/mililitros). (Bernal de Ramírez, 1993)
Así tenemos:
Donde:
Picnómetro vacío
Picnómetro lleno (Agua destilada) Picnómetro lleno (Aceite o Biodiesel)
Humedad
Se define como la relación de la masa del agua presente en el aceite, o agua libre, y la masa dada de material respecto a su peso anhidro, expresada en porcentaje.
Métodos Químicos
Íncide de Acidez
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El índice de acidez es una medida del grado de descomposición de aceite o la grasa, por acción de las lipasas, la degradación se acelera por acción de luz y calor. Es una determinación usada con frecuencia como una indicación general de la condición y comestibilidad de los aceites y grasas. (Herrera & Bolaños,2003)
Donde:
Volumen de NaOH (ml NaOH)
Concentración de NaOH (mol/ml)
(g/ml)
Índice de Saponificación
Son los miligramos de KOH necesarios para saponificar 1g de materia grasa. Ésta nos permite ver si el tipo de lípido es saponificable (contiene ácidos grasos o no los contiene)
La saponificación consiste en la hidrolisis alcalina de un lípido (con hidróxido de potasio o hidróxido de sodio). Los lípidos derivados de ácidos grasos (ácidos monocarboxílicos de cadena larga) dan lugar a sales alcalinas (jabones) y alcohol, que son fácilmente extraíbles en medio acuoso. (Guarnizo 2009)
Donde:
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Vm = ml de KOH gastados en la titulación problema
Índice de Peróxidos
Esta prueba es empleada para cuantificar la alteración del aceite causada por el enranciamiento, en el cual se determinan los miliequivalentes de oxígeno activo contenidos en un Kilogramo de grasa, calculados a partir del yodo liberado del yoduro de potasio, operando en las condiciones especificadas. Las sustancias que oxidan al yoduro de potasio en las condiciones descritas, las consideramos peróxidos u otros productos similares provenientes de la oxidación de las grasas, por lo cual el índice obtenido es considerado, con una aproximación bastante aceptable, como una expresión cuantitativa de los peróxidos de la grasa muestra (Miller, 2003).
2.6. CONDICIONES NECESARIAS PARA LA OBTENCIÓN DE BIODIESEL.
A. Síntesis de obtención de biodiesel
La metodología establecida para la obtención de biodiesel a partir de grasas animales y vegetales que son triglicéridos, formados por glicerina y ácidos grasos. Desde el punto de vista químico los aceites vegetales son triglicéridos que contiene tres cadenas de ácidos grasos, unidas con el alcohol (metanol) y glicerina que al hacer biodiesel se transforman los aceites en ésteres, separando la glicerina, que se hunde hasta el fondo. El biodiesel flota encima y puede aspirarse con un sifón. Este proceso se llama transesterificación. Consiste en sustituir a la glicerina por un alcohol mediante una reacción química con NaOH catalizador. (Sagñay, 2016)
B. Síntesis del proceso de transesterificación
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el aceite (triglicérido) y el alcohol en presencia de un catalizador. Es una secuencia de tres reacciones reversibles en las que el triglicérido es convertido en diglicérido y luego el diglicérido es transformado en un mono glicérido el cual finalmente se transforma en glicerol Comúnmente se utilizan alcoholes de cadena corta normalmente la transesterificación se produce utilizando un catalizador básico o ácido, el cual está limitado por impurezas como agua y ácidos grasos libres. Por otro lado, la producción de es a través de reacciones en condiciones supercríticas, a elevadas presiones y temperaturas que implican el uso de una gran cantidad de energía y altos costos de operación. Otro utilizado método es la utilización de lipasas, éstas pueden realizar la esterificación de ácidos grasos libres y la transesterificación de triglicéridos sin la formación de jabones. (Castellanos A., 2015)
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Figura 2. Reacción presente en la transesterificación
Fuente: Technical aspects of biodiesel production by transesterification a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006, 248-268.
En la figura, R1, R2 y R3 son cadenas generalmente largas de ácidos grasos. Los ácidos grasos que se presentan con mayor frecuencia en las grasas y aceites, son: - Ácido palmítico: CH3–(CH2)14–COOH (16 carbonos, saturado)
- Ácido esteárico: CH3–(CH2)16–COOH (18 carbonos, saturado)
- Ácido oleico: CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)7–COOH (18 carbonos, 1 doble enlace, insaturado)
- Ácido Linoléico: CH3–(CH2)4–CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH (18 carbonos
con 2 enlaces dobles)
22 C. Tipo de alcohol utilizado
El alcohol es uno de los insumos principales para la producción de biodiesel, este representa un volumen de 10 a 15% de los insumos consumido. Entre los más importantes están el metanol y etanol, sin embargo, se ha demostrado mayor dificultad durante la síntesis de biodiesel cuando se usa etanol como medio de reacción debido a las emulsificaciones causadas por el mismo. (Jeong, Yang, & Park, 2014).
D. Relación molar metanol: aceite
La relación molar metanol: aceite depende de la temperatura y tiempo de reacción, unas de las variables que afectan al rendimiento del proceso es la relación molar del alcohol, y los triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un mol de triglicérido para producir tres moles de esteres y un mol de glicerol. La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para conducir la reacción al lado derecho (producción de esteres) además, el metanol y el etanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura ambiente y la mezcla debe ser agitada mecánicamente para que haya transferencia de masa. Durante la reacción general se forma una emulsión que desciende rápidamente formándose una capa rica de glicerol quedándose en la parte superior otra zona rica en éster metílico (biodiesel). (Miliarium, 2014)
E. Tipo de catalizador
Catalizador de tipo y de la humedad
23
contenido de ácidos grasos libres no es considerablemente, catalizadores como alcóxido y metóxido de sodio son particularmente eficientes, mismo que KOH, NaOH, también puedan ser utilizado. Una de las desventajas que tiene es la posibilidad de llevar a cabo la hidrólisis de algunos ésteres, resultando en jabón y que conduce a la formación de éster bajo. La transesterificación con estos alcoholes ocurre aproximadamente 400 veces más rápido que en presencia de un catalizador ácido en la misma proporción.
En general, los catalizadores básicos son mejores que los ácidos porque la reacción Es más rápida. Por otro lado, un catalizador alcalino puede causar la formación de una emulsión al aumentar la viscosidad de la solución resultante durante el consumo del catalizador. Es muy importante que la solución del catalizador y el alcohol se utilicen de inmediato para evitar la absorción de humedad y por lo tanto mantener la actividad del catalizador. Por otra parte, el catalizador debe mantenerse en un ambiente con poca humedad anhidro. Debido a su contacto con el aire puede reducir su eficacia a través de las interacciones con la humedad y CO2. (Salazar , 2012) F. Concentración del catalizador
24
El proceso de calentado y la mezcla es de base fundamental para el inicio de transesterificación, que da inicio al proceso de elaboración de biodiesel con la actuación de los dos reactivos químicos tanto el metanol e hidróxido de sodio a temperaturas de 60 a 65°C respectivamente. (Yépez J., 2017)
G. Proceso de separación del biodiesel
Separación del biodiesel
Para realizar el análisis, identificación y caracterización del biodiesel es necesario separar los ácidos grasos de la glicerina. Una vez completada la reacción el glicerol puede separarse por decantación en un embudo de separación, la literatura expone que al menos una hora es el tiempo requerido para que la separación ocurra. Una vez sucedida, el glicerol (parte inferior del embudo) debe ser descartado cuidadosamente. (Salazar , 2012)
Purificación de biodiesel
El objetivo de la purificación es la obtención de mezclas de ésteres metílicos con bajos niveles de contaminación. La literatura relata que la concentración de metanol debe ser inferior al 0.2% por lo tanto, el proceso de purificación inicia con varias etapas de lavado con el fin de remover desechos del catalizador y de metanol presente. Otra manera más de purificar es a través de lavados con una solución de cloruro de sodio saturada la cual es capaz de llevar consigo los restos del catalizador utilizado. (Sanchez N., 2015)
25 Secado del biodiesel
El excedente de agua debido a la reacción misma y a los lavados realizados para la purificación de biodiesel puede ser retirado añadiendo sulfato de sodio anhidro o sulfato de magnesio, sin embargo, si no se dispone de estos elementos apenas calentar hasta la ebullición del agua (por encima de 100 °C) durante 45 min conlleva a resultados aceptables. (Salazar , 2012)
Luego del secado si el biodiesel final, presenta burbujas y de coloración turbia, es porque aún contiene agua. Para eliminar las burbujas presentes debemos sacar con una pipeta con la finalidad de obtener un éster metílico puro. La deshidratación o secado del biodiesel implica que las moléculas de agua que se encuentran en suspensión en la muestra sean llevadas a la superficie de evaporación en un desecador, la presencia de agua en el biodiesel reduce el rendimiento. (Yépez J., 2017)
2.7.PARÁMETROS FÍSICAS Y QUÍMICAS DE CALIDAD BIODIESEL
Las caracterizaciones físicas y químicos del biodiesel son realizados bajo los parámetros establecidos de la normativa ASTM, contempladas dentro de la normativa Peruana NTP 321.125 que rige para los biocombustibles en el país.
26
Tabla 2. Parámetros fiscas y químicas del biodiesel
Parámetro Unidad Norma
Caracterización física
Densidad g/mL ASTM D 1298
Índice de refracción --- NTC 289
Viscosidad cinemática mm2/s ASTM D 445
Humedad y material volátil % en masa NTC 287
Punto de inflamación ºC ASTM D 93
Poder calorífico KJ/kg ASTM D 240
Caracterización química
Índice de peróxido meq O2/kg de aceite NTC 236
Índice de acidez y de la Acidez
Acidez: % en masa de acuerdo con el tipo de grasa(*)
ASTM D 664
Índice de yodo g I2/100 g de aceite NTC 283
Índice de saponificación mg KOH/g de aceite NTC 335 Corrosión a la lámina de
Cobre
--- ASTM D 130
Contenido de metales Ppm ASTM D 5863
27 Caracterización Física
Densidad: Es un método muy apropiado para determinar la densidad de líquidos transparentes. Puede usarse para aceites viscosos si se espera el tiempo suficiente para que el densímetro alcance el equilibrio, o para líquidos opacos realizando una corrección. Cuando se emplea esta determinación en conexión con la medida de grandes volúmenes de producto, los errores de corrección de volumen son minimizados efectuando las lecturas a una temperatura próxima a la del producto en depósito ASTM D 1298.
La densidad da idea del contenido en energía del combustible. Mayores densidades indican mayor energía térmica y una economía de combustible mejor. (Ciria, I., 2005).
Viscosidad: es una relación entre la viscosidad y la densidad de la muestra; es una Medida de la resistencia al flujo de un líquido bajo la acción de la gravedad. En el SI, la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo ASTM 445. La viscosidad del biodiesel es medido mediante el método ASTM 445, que es mediante un viscosímetro de Ostwald (un tubo capilar calibrado que se utiliza para la medición precisa del flujo entre dos puntos premarcados en el tubo). En este tipo de viscosímetros generalmente construidos en vidrio, se determina la viscosidad de un líquido midiendo el tiempo de flujo (t) entre dos puntos calibrados de un volumen dado (V) del líquido, en un tubo capilar bajo la influencia de la gravedad. (Normas American Society for Testing and Materials, 2008).
28
limitada por consideraciones que involucran el diseño y el tamaño del motor, y las características del sistema de inyección. El límite superior para la viscosidad del biodiesel (6,0 mm2/s) a 40°C) es mayor que la máxima viscosidad permitida en la NTP 321.003. (Norma Técnica Peruana 321.125, 2008)
Figura 3. Esquema del viscosímetro de Ostwald Fuente: Adatec S.A. Metrología
Índice de refracción: este parámetro específico sobre la calidad de los biocombustibles, ASTM D1647.
29
en casos como la identificación y caracterización de líquidos puros, grasas y aceites. (Matissec, R. et al, 1992).
Humedad y punto volátil: este parámetro indica el contenido de humedad y material volátil contenido en el biocombustible. La cantidad del volumen identificado depende de la solubilidad del biodiesel.
El método usado para medir estos parámetros es la Norma ASTM D203. Consiste en el Método gravimétrico, donde se determina indirectamente cantidad de humedad de una muestra alimenticia por medio de una diferencia de masa. El agua es el único ingrediente de los alimentos que está prácticamente presente en todos ellos y su cantidad, estado físico y dispersión en los alimentos afectan su aspecto, olor, sabor y textura. Los alimentos en general pueden considerarse integrados por dos fracciones primarias: su materia seca y cierta cantidad de agua o humedad; esta agua no está solamente adherida a la superficie de los alimentos sino que también se encuentra íntimamente asociada como tal a ellos y por tanto incorporada a su naturaleza y composición química. (Montoya, C., 2007)
Punto de inflamación: este punto nos indica, que la temperatura más baja que aplica sobre la llama que inflama el vapor de la muestra. No está directamente relacionado al desempeño de la máquina. Sin embargo, es de importancia su conexión con requerimientos legales y precauciones de seguridad envueltos en la manipulación y el almacenamiento del combustible que son normalmente especificados para cumplir con regulaciones de seguros e incendios. (Norma Técnica Peruana 321.125, 2008)
30
El montaje de vaso abierto de Cleveland consiste generalmente en un recipiente de bronce tipo copa, tarado a medida normalizada, una fuente de calor que puede ser eléctrica (con regulador) o a gas, termómetros, soportes y un aplicador de llama que produce la inflamación. (Aguirre, L., 2001)
Figura 4. Esquema del Vaso abierto Cleveland
Fuente: ASTM D93 (2010). Standard Test Methos for Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup Tester. United States.
En el caso del biodiesel, para la norma ASTM D 92 el límite mínimo es de 100 ºC.
Poder calorífico: el poder calorífico dentro del biodiesel, indica que los altos valores de este parámetro evitan las pérdidas, de potencia en el motor, además de disminuir el tiempo de incendio en el motor. (ASTM D240)
31
La norma ASTM D240 establece como requisito que el poder calorífico se encuentre alrededor de 39500 KJ/Kg.
Figura 5. Esquema de la Bomba Calorimétrica
Fuente: ASTM D240. Standard Test Methos for Heat of Combustion of Liquid Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter. United States.
Caracterización química
Índice de peróxido: este parámetro determina la calidad del biodiesel obtenido. Este parámetro no está establecido dentro de la normativa ASTM.
El índice de peróxido es la cantidad de estas sustancias en la muestra, expresada en términos de miliequivalentes de oxígeno activo por kilogramo de grasa, el cual el yoduro de potasio oxida bajo las condiciones de ensayo. (ICONTEC, 1998)
32
Figura 6. Reacción de oxidación de un ácido graso
Fuente: Diseño conceptual de una planta de biodiesel, Universidad de Chile
El principio de esta prueba es el tratamiento de la porción de ensayo, en una solución de ácido acético y cloroformo o ácido acético e iso-octano, con una solución de yoduro de potasio. Titulación del yodo liberado con una solución normalizada de tiosulfato de sodio. (ICONTEC, 1998)
Índice de acidez: Este parámetro es utilizado para determinar el nivel de ácidos grasos libres o ácidos del proceso que pueden estar presentes en el biodiesel. Se ha demostrado que biodiesel con número de acidez alto incrementan los depósitos en el sistema de combustible e incrementan la potencialidad de corrosión. (Norma Técnica Peruana 321.125, 2008)
33
Índice de yodo: indica la estabilidad de los biocombustibles tales como, punto de nube y fluidez que garantiza el buen uso de biodiesel ASTM D5863.
El punto de nube es importante en el sentido que define la temperatura a la cual una nube o niebla de cristales aparecen en el combustible bajo ciertas condiciones de ensayo prescritas. Esta temperatura se relaciona con la temperatura a la cual empiezan a precipitar cristales en el combustible en uso. El biodiesel generalmente tiene un punto de nube mayor que el combustible de petróleo. El punto de nube de biodiesel y su impacto en las propiedades de flujo en frio de la mezcla resultante deberá ser monitoreado por el usuario para asegurar una operación libre de problemas en climas fríos. (Norma Técnica Peruana 321.125, 2008)
Número de Cetano: Es una medida de la calidad de ignición del combustible e influencia el humo blanco y la robustez de la combustión. El requerimiento de número de cetano depende del diseño del motor, de su tamaño, de las variaciones de velocidad y carga y de las condiciones atmosféricas y de arranque. (Norma Técnica Peruana 321.125, 2008)
34
2.8. ESPECIFICACIONES A CUMPLIR NECESARIAS PARA EL USO ADECUADO DE BIODIESEL
Para cumplir con las normas que rigen para la producción de biodiesel, se debe cumplir con las normas internacionales para comprobar la calidad de este producto las cuales son: (Norma Técnica peruana (NTP 321.125), 2008).
Norma Europea: NORMA EN 14214: 2008.
Norma Americana: NORMA ASTM D 6751: 2012
2.9. EFECTO DE LA ACIDEZ Y LA HUMEDAD EN EL PROCESO DE TRANSESTERIFICACIÓN
35
elevadas, se pueden hidrolizar los triglicéridos a diglicéridos y formar un AGL. Sin embargo, la presencia de agua a temperaturas medias conduce a la formación excesiva de jabón. Cuando un catalizador alcalino tal como el hidróxido de sodio o potasio está presente, el AGL va a reaccionar para formar un producto saponificado. La formación de productos saponificados de ácidos grasos saturados tiende a compactarse a temperatura ambiente y la mezcla de reacción puede gelificarse y formar una sustancia semisólida que es muy difícil de recuperar. (Atadashi, I. et al, 2011)
En el proceso de transesterificación, el aceite vegetal debe tener un índice de acidez menor que uno y todos los reactivos deben ser sustancialmente anhidros. Si el valor de ácido es mayor que uno, más NaOH o KOH debe ser suministrado para neutralizar los AGL. El agua puede provocar la formación de espuma y jabón. Los jabones resultantes pueden inducir un aumento en la viscosidad, la formación de geles y espumas, y hacer difícil la separación de glicerol. (Dalla, B. et al, 2010) 2.10. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA
CALORIMETRICA
La Bomba Calorimétrica se usa para determinar el Poder Calorífico de un Combustible cuando se quema a volumen constante.
36
Figura 7. Componente de la bomba calorimétrica
Fuente: Universidad Nacional de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica
Sin embargo, el calor que absorbe el agua no es el poder calorífico del combustible, debido a diversos factores, entre los cuales pueden nombrarse: absorción de calor por la propia bomba, liberación de calor del alambre que provoca el encendido del combustible, liberación de calor por la formación de ácido nítrico y sulfúrico, entre otros.
Al aplicar la ecuación de Primera Ley al proceso de combustión a volumen constante, tomando en cuenta todos los factores nombrados con anterioridad, se obtiene la siguiente ecuación:
C 2 1 S S M e e T Cv M
H Δ
e2 = m∙h Bombona de
Oxígeno
Recipiente para el Agua
Camisa Adiabática
37
donde MS es la masa de la bomba calorimétrica, sus accesorios y el agua utilizada (masa del sistema); CvS es el calor específico promedio de la bomba calorimétrica, sus accesorios y el agua utilizada (calor específico del sistema); ΔT es el cambio de temperatura registrado durante la experiencia; H es el poder calorífico del combustible; e1 es la corrección por el calor que libera la formación de ácidos de nitrógeno y azufre (puede despreciarse en esta experiencia); e2 es la corrección por el calor generado por la combustión del filamento de ignición; m es la masa o longitud del filamento de ignición; h es el poder calorífico del filamento por unidad de masa o longitud; MC es la masa de combustible.
38
CAPITULO III
39 3.1. Lugar de Ejecución
El presente trabajo de investigación se realizó en los siguientes ambientes: - Laboratorio de Química Orgánica de la Facultad de Ingeniería – Universidad
Nacional del Santa.
- Laboratorio de Procesos Físico-Químicos de la Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Santa.
3.2. Materiales y Equipos 3.2.1. Equipos
Balanza Analítica Marca: Deriver Modelo: AA-200
Estufa
40
Bomb Calori Plain Marca: Parr
Número de serie:1341EE
Agitador Magnético Marca: Nahita
3.2.2. Instrumentos
41
Papel pH
Picnómetro
42
Embudos
Papel Filtro
43
Probeta de 50, 100 y 250 ml
Peras de decantación de 250 ml
44
Buretas
Crisoles de porcelana
3.2.3. Sustancias Reactivas
45
Hidróxido de sodio (90%p/p de pureza)
Agua destilada
46
Sulfato de sodio
3.2.4. Fluido de Trabajo
Aceite
47 3.3. Métodos
3.3.1. Muestra de Análisis
El aceite utilizado es un aceite residual recolectado del restaurant “El Gigante” de la ciudad de Nuevo Chimbote, el cual fue almacenado en un recipiente de plástico de 2000 ml cerrado herméticamente y protegido contra la luz.
3.3.2. Tratamiento preliminar del aceite residual Se filtraron las impurezas de las muestras de aceites.
Las muestras de aceite fueron calentadas a 35 °C y se agitaron para obtener homogeneidad en éstas. Luego se dejaron enfriar a 25º C y se procedió a realizar las pruebas.
3.3.3. Análisis Físico y Químico de las muestras de aceite residual de cocina 3.3.3.1. Densidad
La Densidad se determinó mediante el Método del picnómetro.
Donde:
Picnómetro vacío
Picnómetro lleno (Agua destilada) Picnómetro lleno (Aceite)
3.3.3.2. Humedad
La humedad se determinó por secado y por diferencia de los pesos de acuerdo al método 934.06 (37.1.10) del A.O.A.C (1996).
48 Donde:
Humedad en porcentaje de masa Peso de la muestra
Peso final de la placa con la muestra Peso de la placa vacía
3.3.3.3. Índice de Acidez
El índice de acidez se determinó por el Método de titulación
Donde:
Volumen de NaOH (ml NaOH)
Concentración de NaOH (mol/ml)
(g/ml)
3.3.3.4. pH
Se determinó mediante el uso de papel pH de un rango de 7 a 12. 3.3.3.5. Índice de Peróxidos
Se determinó mediante el Método Volumétrico. 3.4. Método para la obtención de biodiesel
Se obtuvo cuatro muestras de biodiesel mediante el proceso de Transesterificación. Se medió 200 ml de aceite para cada ensayo y 50 ml de alcohol (metanol).
Mediante un agitador magnético, se disolvió el NaOH en el alcohol lo cual permitió obtener el metóxido de sodio.
49
El producto se dejó decantar durante 24 horas en peras de decantación, luego se separó el biodiesel de la glicerina formada en la parte de inferior de la pera de decantación.
El biodiesel obtenido se lavó cuatro veces con agua destilada. Por cada 200 ml de biodiesel se usó 200 ml de agua destilada. Se realizó un secado en estufa a 105 °C, por 30 min. (Arteaga et al, 2009).
3.5.Análisis Físico y Químico de las muestras de biodiesel. 3.5.1. Punto de Inflamación
Se determinó según el Método basado en ASTM D 93. 3.5.2. Índice de Cetano
Se determinó según el Método basado en ASTM D 4737. 3.5.3. Viscosidad Cinemática
Se determinó según el Método basado en ASTM D 445.
La determinación de la viscosidad cinemática del biodiesel a 20°C se realizó usando un viscosímetro Brookfield. La calibración del viscosímetro se llevó a cabo a las temperaturas de 10, 15, 20 y 30ºC utilizando un control de temperatura y un enfriador externo acoplado al termostato. Como liquido de calibración se usó agua bidestilada con una conductividad menor a 2µS. Las variaciones de temperatura en el mismo se registraron con un termómetro de alta precisión de ± 0.001ºC, el procedimiento se repitió 4 veces.
3.5.4. Índice de Acidez
Se determinó según el Método basado en ASTM D 664.
50
biodiesel en 10 mL de Metanol; se utilizó fenolftaleína como indicador para determinar el punto final de la reacción.
3.5.5. Poder Calorífico
Se determinó según el Método basado en ASTM D 240. Se determinó mediante el uso de la Bomba Calorimétrica. Haciendo uno de las siguientes ecuaciones:
C S S M e e T Cv M
H 1 2
T = (Tmáx – Te) + P2 – P1 P2 = 0,5 R2 x t2 P1 = 0,5 R1 x t1 Donde:
H: Poder Calorifico Ms: Masa del sistema
S
Cv : Capacidad térmica de absorción de la bomba calorimétrica = 2440 Cal/°C
T
: Variación de temperatura
e1: Calor liberado por el fusible = 1600 cal/g
e2: Calor liberado por la formación de ácido nítrico y ácido sulfúrico = 1530 cal/g Tmáx: Temperatura máxima alcanzada por el agua
Te: Temperatura a la cual se ha encendido el combustible P2 y P1: Factores de corrección
R1: Régimen de aumento de la temperatura por minuto antes del encendido, (°C/min).
51
t1: Tiempo transcurrido desde el momento del encendido hasta alcanzar la temperatura ambiente, [min].
t2: Tiempo transcurrido desde la temperatura máxima a temperatura ambiente, (min).
3.5.6. Densidad
Se determinó según el Método basado en ASTM D 1298.
52 3.6. Diseño Experimental
3.6.1. Esquema de diseño experimental
BIODIESEL
Propiedades
Índice de acidez
Poder Calorífico Inferior
Homogeneidad TRANSESTERIFICACION
X1 X2 X3 X4 X5
PCI1 PCI2 PCI3 PCI4 PCI5
VI VD
O1 O2 O3
PCIóptimo O5
53 3.6.2. Diagrama de Flujo experimental
Agua de lavado Agua de lavado Biodiesel Biodiesel recuperado Biodiesel Glicerina Glicerina bruta Agua destilada Agua destilada Agua destilada Agua de lavado Vapor de agua Aceite seco
Catalizador: Hidróxido de sodio
Metanol Aceite reciclado de cocina
Aceite limpio
Residuos Solidos
SEGUNDO LAVADO
SEPARACIÓN DE FASE
TERCER LAVADO
SEPARACIÓN DE FASE
ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL OBTENIDO
FILTRACION
CALENTAMIENTO
EVAPORACION
ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE OBTENIDO
REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN
SEPARACIÓN DE FASE
PRIMER LAVADO
SEPARACIÓN DE FASE
Biodiesel
MEZCLA: METOXIDO DE
54
CAPITULO IV
55
4.1. Calculo del volumen de Metanol (CH3OH) a usar
Según Ames y López (2013):
El peso molecular del aceite (triglicéridos) para el cálculo de la cantidad de CH3OH a usar se obtiene a través del índice de saponificación según la norma técnica ASTM D 5558-95 (Stándar Teat Methedler Determination of the saponification Value od Fats and Oils).
El valor o índice de saponificación de un aceite es el número de miligramos de hidróxido de potasio (KOH) necesario para saponificar 1g de aceite completamente. Dado que los aceites están formados por triglicéridos principalmente, y que cada triglicérido necesita 3 moléculas de KOH para saponificarse, el índice de saponificación puede ser usado para estimar aproximadamente el peso molecular promedio del aceite utilizado.
Entonces como siempre se requieren 3 moles de KOH para la hidrolisis alcalina y sabiendo que el peso molecular del KOH es 56g/mol por lo tanto en 3 moles de KOH seria 168 000 mg/mol entonces podemos decir:
Se puede observas que el índice de saponificación es inversamente proporcional al peso molecular del triglicérido entonces la razón entre el peso de la muestra y el número de moles, será el peso molecular del aceite.
56
En nuestra investigación, experimentalmente no fue posible la determinación del índice de Saponificación, se tomó 201.5 mg KOH/ g como valor experimental. (Murcia et al, 2013)
Entonces:
Calculamos así la cantidad de CHO3 (OH) a usarse:
Por lo tanto se debe agregar 23.06% de CHO3 (OH) con base al volumen a usar del aceite:
4.2. Análisis Físico y Químico de las muestras de aceite residual de cocina.
a) Cálculos de la densidad
57 - Aceite Fresco
( )
- Aceite Usado
(
)
- Aceite Reusado
(
)
- Aceite Desechado
(
)
b) Cálculo de la Humedad
- Aceite Fresco
- Aceite Usado
- Aceite Reusado
58 - Aceite Desechado
c) Índice de Acidez
La acidez se expresa en gramos de ácido oleico por cien gramos de grasa (% m/m), se consideran todos los ácidos grasos libres como si fueran ácido oleico.
En la reacción que tiene lugar, un mol de NaOH reacciona con un mol de ácido oleico, de modo que:
Suponiendo que el peso molecular de ácido oleico es la suma de sus pesos particulares de sus componentes químicos parciales.
- Aceite Fresco
- Aceite Usado
59 - Aceite Reusado
- Aceite Desechado
Tabla 3. Caracterización de las muestras de aceite reciclado de cocina
Parámetro Unidad
Muestra Aceite fresco Aceite usado Aceite reusado Aceite desechado
Densidad g/ml 0.9150 0.9156 0.9161 0.9173
Humedad % 1.101 0.989 0.978 0.999
Índice de Acidez
%m acido oleico/m
3.65 1.78 1.95 1.09
Ph 7 7 7 7
Índice de Peróxidos
Meq. O2/kg de aceite
3.3345 9.4564 10.7898 11.0981
Fuente: Elaboración Propia 4.3. Obtención de biodiesel
4.3.1. Transesterificación de las muestras de aceites reciclados de cocina
El alcohol utilizado en el proceso de transesterificación fue metanol 99 %.
60
Se realizó un ensayo preliminar para fijar la cantidad adecuada de catalizador alcalino (NaOH) para la obtención de biodiesel a partir de aceite fresco, usado, reusado y desechado como se muestra en la tabla 10. (Zuleta et al, 2008)
Tabla 4. Cantidades de Catalizador NaOH para cada ensayo.
Muestra Catalizador NaOH (g) Aceite fresco 3.3
Aceite usado 3.5 Aceite reusado 3.8 Aceite desechado 4.0 Fuente: Elaboración Propia
En tiempo de reacción fue de 100 minutos, el proceso fue realizado a una temperatura de 60 °C, con un reactor a 700 rpm. (Yépez J., 2017)
4.4. Análisis Físico y Químico de las muestras de biodiesel.
Tabla 5. Caracterización de las muestras de biodiesel.
Parámetro Unidad
Muestra Aceite fresco Aceite usado Aceite reusado Aceite desechado
Punto de Inflamación °C 180.25 170.50 170.38 168.50
Índice de Cetano 47 48 48 50
Índice de Acidez mg KOH/g
0.250 0.330 0.350 0.450
Viscosidad Cinemática
mm2/s 3.56459 3.70808 3.90678 4.04567
Poder Calorífico kJ/kg 46920.10 46913.25 46910.35 45898.99
Densidad g/ml 0.865 0.873 0.883 0.889
61
4.5. Influencia del Índice de Acidez en el Poder Calorífico del Biodiesel Tabla 6. Índice de acidez y Poder Calorífico del Biodiesel
Muestra Índice de Acidez
(mg KOH/g)
Poder Calorífico (kJ/kg) Biodiesel obtenido de
Aceite Fresco 0.250 46920.10
Biodiesel obtenido de
Aceite Usado 0.330 46913.25
Biodiesel obtenido de
Aceite Reusado 0.350 46910.35
Biodiesel obtenido de
Aceite Desechado 0.450 45898.99
Fuente: Elaboración Propia
Gráfica del Poder Calorífico en Función al Índice de Acidez
Figura 8. Gráfica del Poder Calorífico en Función al Índice de Acidez Fuente: Elaboración Propia
En la gráfica podemos observar que el punto máximo se alcanza cuando el índice de acidez es de 0.295 mg KOH/g con un Poder Calorífico de 47009.34 k/kg.
y = -46249x2 + 27309x + 42978
45800 46000 46200 46400 46600 46800 47000 47200
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
P O D ER C A LO R IFI C O ( kJ /kg )
62
CAPITULO V
63 5.1. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El valor promedio obtenido en esta investigación para la densidad de las muestras de aceite reciclado de cocina fue de 0.916 g/ml. Este resultado es comparable a la de la referencia en donde se reportó que la densidad fue de 0.9156 g/ml. (Herrera et al, 2008) La densidad es una constante que no varía mucho para un aceite determinado cuando está puro y fresco, pero es afectada por la rancidez y cualquier tratamiento especial que se le haga al aceite. (Bernal de Ramírez, 1993)
En la tabla de caracterización de las muestras de aceite reciclado de cocina se muestra los resultados obtenido para la humedad, obteniendo un promedio de 1.017 %.
El resultado de la humedad en los aceites reciclados de cocina estuvo próximo a lo que determino Herrera, un valor de 1.25 % para el aceite residual de frituras. (Herrera et al, 2008)
La Norma técnica peruana 209.001:1983, especifica que la humedad en aceites vegetales comestibles no debe contener más de 0.1% de agua. Se puede decir que la humedad del aceite reciclado de cocina ha aumentado debido al deterioro por el número de usos, su oxidación y el tiempo de almacenamiento. Este alto contenido de agua puede generar problemas en la reacción de transesterificación como la catálisis de la reacción de saponificación y la hidrólisis de los biodiesel obtenidos.
